ANSYS有限元分析中的单位问题.doc

ANSYS有限元分析中的单位问题ansys中没有单位的概念，只要统一就行了。所以,很多人在使用时,不知道该统一用什么单位,用错单位造成分析结果严重失真!今综合相关资料,整理如下:一、在ansys经典中，的确没有单位区别，关键要看你的模型以什么样的单位去建，当然，对应的材料属性（杨氏模量，密度等）也要以你所建模型的单位去对应，着重需要注意的是在把模型由cad软件导入ansys中时，注意单位的对应就可以，当然一般在cad模型中的单位是mm制，那么导入ansys后也应该采用mm制，也就是mpa类型！二、打开ansys，运行/units,si，就把单位设置成国际制单位了！即长度：m ；力：n ；时间：s ；温度：k ；压强/压力：Pa ；面积：m2 ；质量：kg ,确保了分析结果不失真，且易于读懂结果数据。三、ANSYS中不存在单位制，所有的单位是自己统一的。一般先确定几个物理量的单位（做过振动台试验的朋友一定会知道），然后导出其它的物理量的单位。静力问题的基本物理量是：长度，力，质量比如你长度用m,力用KN，而质量用g那么应力的单位就是KN/m*m,而不是N/m*m。动力问题有些复杂，基本物理量是：长度，力，质量，时间比如长度用mm,力用N,质量用Kg，而时间用s以上单位就错了，因为由牛顿定律：F=ma所以均按标准单位时：N=kg*m/(s*s)所以若长度为mm,质量为Kg，时间用s则有N*e-3=kg*mm/(s*s)所以，正确的基本单位组合应该是：mN(毫牛，即N*e-3）, mm, Kg, s所以，如果你要让ANSYS的单位为国际单位制，你在输入物理量之前，先将所有的物理量转换为国际单位制，如：原先你的图纸上均为毫米，比如一个矩形截面尺寸是400mm*500mm，那么，你在建模之前先转化为0.4m*0.5m然后输入的长度为0.4和0.5，ANSYS只知道你输入的是0.4和0.5，它不知道你的单位是什么。附上一句：ANSYS中有一个只能从命令行输入的命令：/UNITS, 它的作用仅仅是标记作用，让用户有个地方做标记，它没有任何单位转换的功能。不要被他迷惑。英文原文如下：The units label and conversion factors on this command are for user convenience only and have no effect on the analysis or data. That is, /UNITS will not convert database items from one system to another (e.g., from British to SI, etc四、在ANSYS中没有规定单位，它值进行代数值的运算，需要用户自己去定义自己的单位制，很多初学者对于单位的问题很不解。在使用的时候只需要记住一点就可以了：使用统一的单位制。由于处理实际问题时分析问题的需要或者个人习惯不同，不同人对不同物理量的单位有不同选择。例如对于长度单位，机械设计人员喜欢使用mm，而工程设计人员经常使用m。再如力的单位，国际单位为N，但是在很多地方使用kN作为力的单位。选用什么单位并无对错之分，只需推算出其他物理量的对应单位即可。下面举个例子进行说明：一个实体模型质量为1kg，长度为4X10-3m，弹性模量为2.1X1011Pa，时间为7s。这几个量的单位都是国际单位，但是物理量之间的数量级差别很大，容易引起计算收敛困难或计算误差太大。将质量和长度单位改变一下，变成非国际单位制，质量为1X10-3t，长度为4mm，时间为7s。这时候弹性模量为2.1X106MPa了，那么物理量之间的数量级差别就小了。但同时需注意的是，很多其他物理量的单位也不再是国际单位制了，比如速度单位由m/s变为mm/s。由上面的分析可知，可按下面的方法选用单位制：1、所有的单位都统一使用国际单位制，那么计算的所有结果也为国际单位制。2、使用非国际单位制，需要先确定几个基本物理量的单位，然后根据基本物理量推导出其它物理量的单位。基本物理量及其量纲：质量m;长度L;时间t;温度T。导出物理量及其量纲：速度：v=L/t;加速度：a=L/t2;面积：A=L2;体积：V=L3;密度：=m/L3;力：f=ma=mL/t2;力矩、能量、热量、焓等：e=fL=mL2/t2;压力、应力、弹性模量等：p=f/A=m/(t2L);热流量、功率：=e/t=mL2/t3;导热率：k=/(LT)=mL/(t3T);比热：c=e/(mT)=L2/(t2T);热交换系数：Cv=e/(L2Tt)=m/(t3T)粘性系数：Kv=pt=m/(tL);熵：S=e/T=ml2/(t2T);质量熵、比熵：s=S/m=l2/(t2T);量纲的选用原则选择合适的量纲，需要注意以下原则：1、确定分析中使用的物理量的数量级大小，避免使用数量级太大或太小的量纲。2、同一问题中所有物理量的量纲要保持一致，否则计算结果中的某些物理量的量纲就不明确，容易导致错误的结果。3、一般情况，为了分析方便，可先选定基本物理量的量纲，再由基本物理量的量纲推导其它物理量的量纲。当然，也可以先确定部分导出物理量的量纲，然后根据基本物理量与导出物理量的关系，推导基本物理量的量纲。下面举两个常用的例子。1基本物理量采用如下单位制：质量mkg；（应该采用Mg单位才统一，具体可以参考MSC.MARC中的材料库统一单位，推导）长度Lmm；时间S；温度K(温度K与C等价)。各导出物理量的单位可推导如下，同时还列出了与kg-m-S单位制或一些常用单位的关系：速度：v=L/t=mm/S=10-3m/S;加速度：a=L/t2=mm/S2=10-3m/S2;面积：A=L2=mm2=10-6m2;体积：V=L3=mm3=10-9m3;密度：=m/L3=kg/mm3=10-9kg/m3=10-6g/cm3;力：f=mL/t2=kgmm/S2=103kgm/S2=mN(牛);力矩、能量、热量、焓等：e=mL2/t2=kgmm2/S2=106kgm2/S2=J(焦耳);压力、应力、弹性模量等：p=m/(t2L)=kg/(S2mm)=103kg/(S2m)=kPa(帕);热流量、功率：=mL2/t3=kgmm2/S3=106kgm2/S3=w(瓦);导热率：k=mL/(t3T)=kgmm/(S3K)=103kgm/(S3K);比热：c=L2/(t2T)=mm2/(S2K)=106m2/(S2K);热交换系数：Cv=m/(t3T)=kg/(S3K);粘性系数：Kv=m/(tL)=kg/(Smm)=103kg/(Smm);熵：S=mL2/(t2T)=kgmm2/(S2K)=10-6kgm2/(S2K);质量熵、比熵：s=L2/(t2T)=mm2/(S2K)=10-6m2/(S2K);2基本物理量采用如下单位制：质量mg；长度Lm(106m)；时间mS(103S)；温度K(K与C等价)。各导出物理量的单位可推导如下，同时还列出了与kg-m-S单位制或一些常用单位的关系：速度：v=L/t=m/mS=10-3m/S;加速度：a=L/t2=m/mS2=m/S2;面积：A=L2=m2=10-12m2;体积：V=L3=m3=10-18m3;密度：=m/L3=g/m3=10-21kg/m3=10-12g/cm3;力：f=mL/t2=gm/mS2=103kgm/S2=mN(牛);力矩、能量、热量、焓等：e=mL2/t2=gm2/mS2=109kgm2/S2=109J(焦耳);压力、应力、弹性模量等：p=m/(t2L)=g/(mS2m)=109kg/(S2m)=109Pa(帕)=GPa;热流量、功率：=mL2/t3=gm2/mS3=106kgm2/S3=106w(瓦);导热率：k=mL/(t3T)=gm/(mS3K)=kgm/(S3K);比热：c=L2/(t2T)=m2/(mS2K)=106m2/(S2K);热交换系数：Cv=m/(t3T)=g/(mS3K)=103kg/(S3K);粘性系数：Kv=m/(tL)=g/(mSm)=106kg/(Smm);熵：S=mL2/(t2T)=gm2/(mS2K)=10-9kgm2/(S2K);质量熵、比熵：s=L2/(t2T)=m2/(mS2K)=10-6m2/(S2K);由此可见，掌握了单位之间变换的方法，就可以根据自己的需要来选择合适的单位制。更多的例子见表1。表2给出了几种单位制与kg-m-S单位制之间的换算因子。表1 不同单位制的物理量单位序号参数名单位量纲Kg-m-s单 位 制Kg-mm-s单 位 制T-mm-s-Mpa单 位 制g-mm-s单 位 制1长度LLmMm(10 -3 m)Mm(10 -3 m)Mm(10 -3 m)2质量MMKgKgT(10 3 Kg)g(10 -3 Kg)3时间ttssss4温度TTKKKK5面积AL 2m 2mm 2(10 -6 m 2)mm 2(10 -6 m 2)mm 2(10 -6 m 2)6体积VL 3m 3mm 3(10 -9 m 3)mm 3(10 -9 m 3)mm 3(10 -9 m 3)7力FM L / t 2N (牛) =Kg m / s 2Kg mm / s 2(10 -3 N)T mm / s 2(N)g mm / s 2(10 -6 N)8密度rM / L 3Kg / m 3(10 -3 g / cm 3)Kg / mm 3(10 6 g / cm 3)T / mm 3(10 9 g / cm 3)g / mm 3(10 3 g / cm 3)9能量、焓、热量M L 2 / t 2J (焦耳) = N m= Kg m 2 / S 2Kg mm 2 / S 2(10 -6 J)T mm 2 / S 2(10 -3 J)g mm 2 / S 2(10 -9 J)10功率、热流量m L 2 / t 3w (瓦) = J / S= kg m 2 / S 3kg mm 2 / S 3(10 6 w)T mm 2 / S 3(10 3 w)g mm 2 / S 3(10 9 w)11压力、应力、模量M / (t 2 L)Pa = N / m 2= Kg / (s 2 m)Kg / (s 2 mm)(kPa)T / (s 2 mm) (MPa)g / (s 2 mm) (Pa)12导热率kM L / (t 3 K)J / (m s K) =(Kg m / (s 3 K)Kg mm / (s 3 K)(10 -3 Kg m / (s 3 K)T mm / (s 3 K)(Kg m / (s 3 K)g mm / (s 3 K)(10 -6 Kg m / (s 3 K)13比热cL 2 / (t 2 K)J / (Kg K) =(m 2 / (s 2 K)mm 2 / (s 2 K )(10 -6 m 2 / (s 2 K ) )mm 2 / (s 2 K )(10 -6 m 2 / (s 2 K ) )mm 2 / (s 2 K )(10 -6 m 2 / (s 2 K ) )14体热源hM / (t 2 L)J / m 3 =(Kg / (s 2 m)Kg / (s 2 mm)(10 3 Kg / (s 2 m) )T / (s 2 mm)(10 6 Kg / (s 2 m) )g / (s 2 mm)(1.0 Kg / (s 2 m) )15换热系数CvM / (t 3 K)J / (m 2 s K) =(Kg / (s 3 K)Kg / (s 3 K)(Kg / (s 3 K)T / (s 3 K)(10 3 Kg / (s 3 K)g / (s 3 K)(10 -3 Kg / (s 3 K)16粘性系数KvM / (L t)Kg / (m s)Kg/(mm s)(10 3 Kg /(m s) )T / (mm s)(10 6 g / (m s) )g / (mm s)(1.0 g / (m s) )17熵SM L 2 / (t 2 K)J / K = (Kg m 2 / S 2 K)Kg mm 2 / S 2 K(10 -6 Kg m 2/ S 2 K)T mm 2 / S 2 K(10 -3 Kg m 2/ S 2 K)g mm 2/S 2 K(10 -9 Kg m 2/ S 2 K)18比熵s质量熵L 2 / (t 2 K)J / (Kg K )= (m 2 / S 2 K)mm 2 / S 2 K(10 -6 m 2 / S 2 K)mm 2 / S 2 K(10 -6 m 2 / S 2 K)mm 2 / S 2 K(10 -6 m 2 / S 2 K)表2 不同单位制的物理量与Kg-m-s单位制的换算因子注序号参数名公制单位(Kg-m-s单位)其它单位转换到Kg-m-s 单位制kg-m-s单位转换到Kg-mm-s单位制kg-m-s单位转换到T-mm-s-Mpa单位制kg-m-s单位转换到g-mm-s单位制1长度LmKg-mm-s数值 10 -3Kg-m-s数值 10 3Kg-m-s数值 10 3Kg-m-s数值 10 32质量MKgg-cm-s数值 10 3Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 10 -3Kg-m-s数值 10 33时间tsKg-mm-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.04温度TKKg-mm-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 1.05面积L 2m 2Kg-mm-s数值 10 -6Kg-m-s数值 10 6Kg-m-s数值 10 6Kg-m-s数值 10 66体积L 3m 3Kg-mm-s数值 10 -9Kg-m-s数值 10 9Kg-m-s数值 10 9Kg-m-s数值 10 97力M L / t 2N=Kg m / s 2Kg-mm-s数值 10 -3Kg-m-s数值 10 3Kg-m-s数值 1.0Kg-m-s数值 10 68密度M / L 3Kg / m 3g-cm-s数值 10 3g-cm-s数值 10 -6g-cm-s数值 10 -9g-cm-s数值 10 -39能量、焓热流M L 2 / t 2J=Kg m 2 / s 2Kg-mm-s数值 10 -6Kg-m-s数值 10 6Kg-m-s数值 10 3Kg-m-s数值 10 910功率、热流量m L 2 / t 3w = kg m 2 /S 3Kg-mm-s数值 10 -6Kg-m-s数值 10 6Kg-m-s数值 10 3Kg-m-s数值 10 911压力、应力、模量M / (t 2 L) Pa=Kg/(s 2 m)Kg-mm-s数值 10 6Kg-m-s数值 10 -3Kg-m-s数值 10 -6Kg-m-s数值 1